'10만 큐비트' 양자 컴퓨팅 시대 열리나… 중성 원자 플랫폼 비약적 도약

미국 컬럼비아 대학교 연구진이 차세대 양자 컴퓨팅의 핵심 플랫폼으로 주목받는 '중성 원자 배열(Neutral Atom Array)' 기술의 확장성을 획기적으로 높이는 데 성공했다고 세계 최대 규모의 과학·기술 뉴스 포털 '피즈닷오알지(Phys.org)'가 14일(현지시각) 보도했다.
이번 연구는 현재 1,000개 수준에 머물러 있는 큐비트 수를 단번에 10만 개 이상으로 끌어올릴 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 평가를 받는다.

보도에 따르면 세바스찬 윌(Sebastian Will)과 난팡 유(Nanfang Yu) 교수가 이끄는 공동 연구팀은 세계적인 과학 저널 **'네이처(Nature)'**를 통해 광학 집게(Optical Tweezers)와 메타표면(Metasurface) 기술을 결합한 새로운 양자 플랫폼을 공개했다.


양자 컴퓨터가 기존 슈퍼컴퓨터를 압도하는 성능을 내기 위해서는 정보 단위인 '큐비트'의 수를 수십만 개 단위로 늘려야 한다. 현재 초전도 방식이나 이온 트랩 방식이 주류를 이루고 있지만, 소자의 크기를 늘릴수록 발생하는 오류와 복잡한 공정 문제로 확장에 난항을 겪고 있다.
반면 중성 원자는 원자 자체가 완벽하게 동일하고 풍부해 이상적인 큐비트 후보로 꼽힌다. 하지만 수만 개의 원자를 정밀하게 포획하고 제어하는 것이 그동안의 난제였다.

연구팀은 나노미터 크기의 픽셀로 이루어진 평면 광학 장치인 '메타표면'을 해결책으로 제시했다. 이 메타표면은 단일 레이저 빔을 통과시켜 동시에 수만 개의 초점을 형성할 수 있다. 기존의 공간 광 변조기(SLM)나 음향 광학 편향기(AOD) 방식이 부피가 크고 고가인 데다 확장에 한계가 있었던 것과 대조적이다.


최근 캘리포니아 공과대학(Caltech) 연구팀이 6,100개의 원자를 포획하며 기술력을 과시한 가운데, 컬럼비아대 연구팀은 이번 논문에서 1,024개의 스트론튬 원자를 성공적으로 포획함은 물론, 메타표면을 통해 최대 36만 개의 광학 집게를 생성할 수 있음을 입증했다.
연구팀은 직경 3.5mm의 메타표면에 1억 개 이상의 픽셀을 심어 600x600 배열을 구현했다. 이는 현재 기술 수준을 두 자릿수 이상 뛰어넘는 수치다. 연구에 참여한 대학원생 애런 홀먼은 "원자는 자연이 만든 완벽한 큐비트"라며 "이번 연구는 이들을 대규모로 제어할 수 있는 독보적인 역량을 갖췄음을 보여준다"고 설명했다.


이번 기술은 단순히 양자 컴퓨팅에만 국한되지 않는다. 복잡한 양자 역학 현상을 모델링하는 양자 시뮬레이터는 물론, 실험실 밖에서도 작동 가능한 정밀 광학 원자 시계 제작에도 큰 전기가 될 전망이다.

'피즈닷오알지에 따르면 세바스찬 윌 교수는 "10만 개의 원자를 가두기 위해서는 지금보다 강력한 레이저가 필요하지만, 이는 충분히 현실적인 범위 내에 있다"며 실질적인 상용화 가능성을 시사했다.

학계는 이번 연구가 큐비트의 '양적 팽창'을 가로막던 기술적 장벽을 허물어뜨림으로써, 오류 수정이 가능한 진정한 의미의 대규모 양자 컴퓨터 시대를 앞당길 것으로 내다보고 있다.

이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com